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《华东师范大学》 2016年
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规模化猪场废水处理工艺中抗生素和重金属残留及其生态风险

雷慧宁  
【摘要】:生猪养殖是我国畜禽养殖业中一个重要组成部分,在生猪养殖过程中,猪场排放出的大量废水具有高COD、高氨氮、高磷酸盐等特点,是我国地表水体污染的主要来源之一。目前生猪饲养过程中,普遍使用兽用抗生素和重金属以达到预防和治疗猪的疾病、促进生长的目的。由于兽用抗生素和重金属有相当一部分不能被猪吸收,30%~90%的抗生素以原药或代谢产物的形式通过粪便和尿液排出体外,大部分重金属通过粪便排出体外。每年我国通过猪场排放的兽用抗生素和重金属是环境中痕量污染物的重要来源之一。然而,现有猪场废水处理工艺主要针对COD、氨氮、总氮、磷酸盐、总磷等常规指标的去除,鲜有关注废水中抗生素和重金属的去除,导致抗生素和重金属随废水排放进入环境。由于畜禽养殖污染严重,促使政府倒逼养殖业产业升级,但是仍然只关注碳氮磷等常规污染物,而并没有考虑抗生素和重金属污染。本研究选择我国典型的规模化猪场进行废水处理工艺和抗生素、重金属残留调研,考察不同废水处理过程中各个单元工艺中抗生素和重金属的残留情况,对比圈舍升级改造前后废水中抗生素和重金属的残留情况;在此基础上,评价养猪废水资源化利用时抗生素、重金属产生的生态风险。本文分析了猪场废水经过典型的4种不同的废水处理工艺,包括工艺A、工艺B、工艺C、工艺D,分别为厌氧发酵工艺、厌氧发酵+生态处理工艺、生物+生态处理工艺、生物处理工艺,处理后废水中抗生素和重金属的残留情况。结果表明,四环素类(Tetracyclines, TCs)、磺胺类(Sulfonamides, SAs)、氟喹诺酮类(fluoroquinolones, FQs)在废水中全部检出,是普遍存在于猪场废水的三类抗生素。废水中主要抗生素是TCs, SAs中的磺胺嘧啶(Sulfadiazine, SD)及FQs中的环丙沙星(Ciprofloxacin, CIP)。 TCs中的金霉素(Chlorotetracycline, CTC)和强力霉素(Doxycycline, DXC)的最高浓度分别为288.96μg/L和290.28μg/L;SD最高浓度达到81.56 μg/L; FQs中的CIP和ENX的最高浓度分别达到190.07μg/L和476.41μg/L。冲栏水中TCs、SAs、FQs的浓度范围分别为10.08‖290.18μg/L、0.00~81.56 μg/L、0.00~476.41 μg/L。工艺A、工艺B、工艺C和工艺D对三类抗生素的总去除率范围为3.38%~99.45%、46.84%~97.68%、49.63%-100%和48.59%-99.63%;在废水处理系统中,生态处理单元对抗生素有较高的去除率。TCs和FQs倾向于吸附在SS上,所以较多分布于SS上;SAs不易吸附在SS上而更倾向于随水迁移且不易被生物降解,较多分布于水相中。冲栏水中, Al、Fe、Zn、Mn和Cu总浓度高,最高浓度分别达到18415.07 μg/L、13612.47 μg/L、 12871.36 μg/L、4705.94 μg/L和2463.72μg/L。在冲栏水中,Cu和Zn浓度范围分别为33.29~2463.72 μg/L、133.77~12871.36μg/L。在猪的饲养过程中添加富含Cu和Zn的饲料添加剂是Cu和Zn在废水中浓度高的原因。Cu和Zn主要通过猪粪被排出, Cu和Zn易与SS结合且在SS中分布高。工艺A、工艺B、工艺C、工艺D对Cu、Zn的总去除率分别大于15%、98%、96%、69%。处理系统中的生态单元对重金属去除率普遍较高;生物处理对去除重金属都效果不佳。浙江省是我国生猪养殖产业升级的典型省份,养殖企业通过圈舍升级改造、雨污分流、粪污分类分级处理,实现了废水减量,提升了猪场废水处理工艺水平。本研究选取浙江省典型的2个生猪养殖场,通过对比研究分析了生猪养殖场升级前后猪场废水处理工艺中抗生素重金属残留特征。猪场E圈舍未经升级改造,猪场F圈舍经过升级改造,两猪场原水中的显著残留的抗生素都是TCs, 但猪场F原水中抗生素浓度更高,CTC和DXC浓度分别高达3989.71μg/L和1133.17μg/L,分别为猪场E冲栏水中CTC和DXC浓度的20倍和128倍;猪场G圈舍升级改造之余,引进欧洲先进的养殖设备和技术,冲栏水中,磺胺类的SMT是冲栏水中主要残留的抗生素,浓度高达776.71μg/L。冲栏水中TCs、SAs、FQs的浓度范围分别为3.66~3989.71 μg/L、0.00~776.71 μg/L、0.00~22.58μg/L,且三类抗生素的检出率在80%以上。猪场G的养殖方式以及设备条件优越,用药与猪场E、F不同,废水中主要的抗生素与另两个猪场不同;猪场圈舍升级改造后,猪场F的用水量小,导致原水水中抗生素浓度高。工艺E、工艺F、工艺G对抗生素的总去除率范围分别为87.12%-100%、74.39%-100%、79.26%~97.13%。厌氧发酵+生态处理工艺对抗生素的去除效率高于生化+生态处理工艺。TCs和FQs倾向于吸附在SS上,SAs不易吸附于SS,影响其在水相和SS上的分布。冲栏水中,Al、Fe、Zn、Mn和Cu的最高浓度分别为28373.84 μg/L、46899.40 μg/L 96843.59 μg/L、9310.04 μg/L、16276.46 μg/L,Cu和Zn浓度范围分别为1633.59~16276.46 μg/L、5655.47~96843.59μg/L。工艺E和工艺F对重金属总去除率都高于工艺G;3个工艺对Cu、Zn的去除率都高于96%且大部分都达到98%~99%。生态处理单元对去除重金属具有较高效率。在厌氧发酵或生物处理工艺后加上生态处理成为组合工艺比较常用,可以相对提高去除效率。Cu和Zn易与SS等有机物吸附,Cu和Zn更倾向于分布在SS中,SS的去除对其去除具有较大贡献。将猪场废水和猪粪、有机肥进行肥田并对肥田后由其带入农田土壤的抗生素和重金属进行生态风险评价。对于抗生素,使用风险商值法(Risk Quotient method, RQ法1进行生态风险评价;对于重金属,使用地质累积指数法(Index of Geoaccumulation, Igeo法)和潜在生态风险指数法(Risk index, RI法)进行风险评价。结果表明:若用猪场沼液、出水、猪粪及有机肥进行肥田一年,由于肥田带入农田的抗生素TCs和CIP的RQ值大于1,会产生高风险,其余抗生素产生的风险由无风险到高风险不一。由于肥田由废水和猪粪、有机肥带入农田的重金属Igeo值小于0,无风险;单因子生态风险指数小于40和生态风险指数RI小于150,低风险。由于重金属在土壤中具有累积的特性,所以人们仍需要关注由于粪污肥田带来的生态风险,在利用之前,最好进行处理,降低生态风险。
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X713

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